摘  要： 太陽(yáng)能熱水器已在日常生活中廣泛使用，但其有一個(gè)比較常見(jiàn)的缺陷，當(dāng)用戶間隔較長(zhǎng)時(shí)間打開(kāi)熱水閥時(shí)，總要先將輸水管內(nèi)滯留的涼水排出后才能使用熱水，既浪費(fèi)水資源又不方便。而且在冬季，為防止管內(nèi)水結(jié)冰，室外管需要包裹大量保溫材料，經(jīng)濟(jì)投入很大。通過(guò)在輸水管道底端安裝溫度傳感器和壓力傳感器，使用壓力傳感器測(cè)量輸水管內(nèi)的水量，單片機(jī)根據(jù)測(cè)得的水量與設(shè)定閾值進(jìn)行比較，通過(guò)開(kāi)關(guān)電磁閥來(lái)保證輸水管內(nèi)的水量始終保持恒定。用戶使用完畢后，單片機(jī)會(huì)關(guān)閉電磁閥，輸水管內(nèi)剩余的水將靠重力排空。此外，用戶還可以根據(jù)個(gè)人喜好設(shè)定水溫或用水量等個(gè)性化數(shù)據(jù)，從而更加人性化。

　　關(guān)鍵詞： 太陽(yáng)能熱水器；排空管道；溫度傳感器；壓力傳感器；電磁閥

0 引言

　　太陽(yáng)能熱水器較為常見(jiàn)的一個(gè)缺陷是，當(dāng)用戶間隔較長(zhǎng)時(shí)間再次打開(kāi)熱水閥時(shí)，總要先將輸水管內(nèi)滯留的涼水排出后才能使用熱水。這導(dǎo)致了水資源的極大浪費(fèi)；嚴(yán)寒的冬季，水管內(nèi)的水易結(jié)冰導(dǎo)致管道凍裂，因此需要對(duì)輸水管包裹大量保溫材料或者采用電加熱的方式，造成了不必要的損耗。為此本文設(shè)計(jì)了太陽(yáng)能熱水器排空管道節(jié)水裝置，其功能和原理如下：

　　（1）在原有太陽(yáng)能熱水器的基礎(chǔ)上，使用壓力傳感器和溫度傳感器測(cè)量輸水管道的水量和水溫，并用數(shù)碼管顯示。

　?。?）壓力傳感器測(cè)得輸水管內(nèi)的水量，然后單片機(jī)根據(jù)測(cè)得的水量與設(shè)定閾值比較，實(shí)時(shí)開(kāi)關(guān)儲(chǔ)水器和輸水管連接的電磁閥，從而保證輸水管內(nèi)的水量始終保持恒定。當(dāng)用戶使用完畢后，單片機(jī)會(huì)關(guān)閉電磁閥，輸水管內(nèi)剩余的水將靠重力排空。這樣不僅可以控制水流速度達(dá)到節(jié)水目的，而且最大限度地避免了輸水管道出現(xiàn)剩余的水。

　　（3）用戶可根據(jù)個(gè)人喜好設(shè)定個(gè)性化數(shù)據(jù)，如水溫、大致用水量等。系統(tǒng)將設(shè)定的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)調(diào)整后存儲(chǔ)在單片機(jī)內(nèi)部EEPROM中，使用時(shí)單片機(jī)自動(dòng)讀取設(shè)定數(shù)據(jù)，控制執(zhí)行部件實(shí)現(xiàn)該設(shè)定方案，更為人性化。

　　系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

　　該系統(tǒng)的研究目標(biāo)是通過(guò)傳感器對(duì)輸水管內(nèi)的水量和溫度進(jìn)行準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)、可靠的檢測(cè)，并將測(cè)量到的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)單片機(jī)處理后控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)做出相應(yīng)動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)水溫監(jiān)測(cè)、本地用戶顯示、閾值自行設(shè)定、自動(dòng)調(diào)節(jié)輸水量、排空輸水管內(nèi)的用水等功能。

　　本系統(tǒng)由5部分組成：傳感器信息的采集與分析處理、信息發(fā)送與接收、本地設(shè)置與顯示模塊、控制終端、執(zhí)行機(jī)構(gòu)。傳感器信息采集與處理模塊負(fù)責(zé)測(cè)量壓力、溫度等信息；信息的發(fā)送和接收通過(guò)無(wú)線模塊實(shí)現(xiàn)；本地設(shè)置與顯示由按鍵和數(shù)碼管組成，可以實(shí)時(shí)顯示溫度、水量等信息，并能通過(guò)按鍵由用戶自行設(shè)定參數(shù)；控制終端負(fù)責(zé)收集信號(hào)并使執(zhí)行機(jī)構(gòu)做出相應(yīng)動(dòng)作；執(zhí)行機(jī)構(gòu)由繼電器和電磁閥組成，可以靈敏、精準(zhǔn)的動(dòng)作。

　　總體硬件電路框圖如圖2所示。

　　1.1 主控芯片的選擇

　　本設(shè)計(jì)采用STC12C5A60S2作為主控芯片[1]，它具有功耗低、速度快、抗干擾性強(qiáng)、價(jià)格低廉、可靠性高等特點(diǎn)，特別適用于實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)，現(xiàn)已成為各種自動(dòng)控制系統(tǒng)理想的控制芯片。主控芯片原理圖如圖3所示。

　　1.2 溫度傳感器

　　本設(shè)計(jì)采用DS18B20溫度傳感器[2]。DS18B20溫度傳感器是DALLAS公司生產(chǎn)的單總線器件，具有線路簡(jiǎn)單、體積小的特點(diǎn)。而且在一根通信線上，可以掛載多個(gè)溫度傳感器，十分方便。DS18B20溫度傳感器測(cè)溫范圍為-55℃～＋125℃，并且在-10℃～＋85℃范圍內(nèi)精度為   ±0.5℃，完全滿足本設(shè)計(jì)的要求。其原理圖如圖4所示。

　　1.3 壓力傳感器

　　本設(shè)計(jì)采用cm5300系列壓力傳感器[3]。由于cm5300壓力傳感器輸出的信號(hào)較小，為mV級(jí)別，所以要經(jīng)過(guò)放大電路對(duì)傳感器輸出的微弱信號(hào)進(jìn)行放大。本設(shè)計(jì)采用差分放大電路對(duì)其放大。差分放大電路具有抑制零漂的作用，由兩片lm324構(gòu)成，可以確保傳感器在檢測(cè)范圍內(nèi)的信號(hào)靈敏度、穩(wěn)定性和線性。之后單片機(jī)內(nèi)置A/D模塊對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行采集轉(zhuǎn)換。信號(hào)放大原理圖如圖5所示。

　　1.4 信息發(fā)送與接收模塊

　　無(wú)線發(fā)射接收模塊由PT2262、PT2272紅外解碼電路構(gòu)成[4]。傳感器信號(hào)由單片機(jī)分析后，觸發(fā)PT2262。PT2262觸發(fā)的數(shù)據(jù)口不同，PT2272接收到的數(shù)據(jù)便不同。據(jù)此可以實(shí)現(xiàn)單片機(jī)根據(jù)不同的信息，控制電磁閥門執(zhí)行不同的動(dòng)作。

　　1.5 本地設(shè)置與顯示模塊

　　本地設(shè)置采用獨(dú)立按鍵輸入信息。共設(shè)置5個(gè)按鍵，分別為：“設(shè)置”、“+”、“-”、“確定”、“結(jié)束”。按“設(shè)置”鍵進(jìn)入設(shè)置模式，每位用戶都有對(duì)應(yīng)的序號(hào)，以實(shí)現(xiàn)個(gè)性化設(shè)置。在某用戶編號(hào)下可以設(shè)置輸水管內(nèi)保持恒定的水量值的大小，還可以設(shè)置水溫和總用水量?！?”、“-”鍵用來(lái)調(diào)整相應(yīng)參數(shù)值的大小。“確定”鍵保存參數(shù)并退出設(shè)置模式。“結(jié)束”鍵用在沒(méi)有設(shè)定總用水量的模式下，用戶使用完畢后，按下“結(jié)束”鍵，單片機(jī)控制徹底關(guān)閉電磁閥。設(shè)置信息儲(chǔ)存在單片機(jī)EEPROM中，使用時(shí)自動(dòng)讀取設(shè)置信息。

　　顯示模塊采用數(shù)碼管顯示。數(shù)碼管具有亮度高、發(fā)光響應(yīng)時(shí)間短、體積小、重量輕、成本低等優(yōu)點(diǎn)。

　　1.6 執(zhí)行機(jī)構(gòu)

　　執(zhí)行機(jī)構(gòu)由繼電器和電磁閥[5]構(gòu)成。由于單片機(jī)控制電流不足以驅(qū)動(dòng)電磁閥工作，因此在電路中通過(guò)電磁繼電器來(lái)控制電磁閥。主控芯片通過(guò)控制繼電器的通斷，直接控制驅(qū)動(dòng)電路是否工作，進(jìn)而控制電磁閥的開(kāi)關(guān)。電磁繼電器原理圖如圖6所示。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　在主控模塊，程序首先進(jìn)行各個(gè)模塊初始化配置，依次是：溫度傳感器初始化、壓力傳感器初始化、無(wú)線發(fā)射模塊初始化、按鍵初始化、數(shù)碼管顯示初始化，然后進(jìn)入主程序。在while（1）循環(huán)里面，循環(huán)執(zhí)行溫度傳感器采集溫度函數(shù)、壓力傳感器測(cè)量水壓函數(shù)、按鍵檢測(cè)設(shè)置閾值函數(shù)、數(shù)碼管顯示函數(shù)、無(wú)線模塊發(fā)射函數(shù)。

　　在接收模塊，程序首先進(jìn)行無(wú)線模塊初始化、電磁繼電器初始化，然后進(jìn)入while（1）循環(huán)，循環(huán)執(zhí)行無(wú)線模塊接收函數(shù)、繼電器動(dòng)作函數(shù)。具體的程序流程圖如圖7所示。

3 結(jié)論

　　本文提出的太陽(yáng)能熱水器排空管道節(jié)水裝置，不僅可以控制水流速度達(dá)到節(jié)水目的，而且最大限度地避免了輸水管道有水剩余。本設(shè)計(jì)解決了下次使用時(shí)必須先排掉管內(nèi)剩余的涼水才能使用熱水的問(wèn)題，節(jié)約了水資源，同時(shí)避免了在一些寒冷地區(qū)暴露在外的輸水管因存水結(jié)冰脹裂的風(fēng)險(xiǎn)。另外，用戶可根據(jù)個(gè)人喜好設(shè)定個(gè)性化數(shù)據(jù)，如水溫、大致用水量等，更為人性化。

　　本設(shè)計(jì)改進(jìn)了太陽(yáng)能熱水器的功能，提高了太陽(yáng)能熱水器的使用便捷性，使太陽(yáng)能熱水器更加方便和人性化，可以提供更好的產(chǎn)品體驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)

　　[1] 李華.MCS-51系列單片機(jī)實(shí)用接口技術(shù)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1993.

　　[2] 于克龍，畢小龍，邱立峻.數(shù)字溫度傳感器DS18B20的應(yīng)用[J].機(jī)械制造與自動(dòng)化，2004，33（2）：47-49.

　　[3] 陳平易.陶瓷壓阻式壓力傳感器的研究及應(yīng)用[D].西安：西安電子科技大學(xué)，2012.

　　[4] 郝迎吉，劉義剛，樊潤(rùn)麗.基于單片機(jī)實(shí)現(xiàn)遙控編碼器PT2262的軟件解碼[J].國(guó)外電子元器件，2008（5）：36-39.

　　[5] 李頎，欒翔鶴.智能閥門控制器遙控裝置的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)[J].陜西科技大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)報(bào)），2009，27（3）：106-108，121.